本发明属于旋挖钻机钻杆技术领域，具体涉及一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法。
背景技术：
旋挖钻机钻杆是由钻杆体、内键、外键、挡头、方头、缓冲弹簧、拖盘、钻杆轴销等组成，由动力头和加压机构驱动，其功用是向钻具传递扭矩和压力。由钻杆的功能可知其重要性，钻杆载荷主要为扭矩和压力。国内厂家十分关注不同地质条件下的钻杆载荷实验数据。设计钻杆结构，便于后续钻杆载荷的测试，作为一项基础性输入，载荷谱的不准确给后续产品设计以及性能检测带来偏差及失效。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法，通过测试出钻杆所受的扭矩和压力，实现旋挖钻机钻杆载荷谱的测试。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法，包括以下步骤：
步骤一、设计旋挖钻机钻杆的结构，在缓冲弹簧的下端、方头部位的上端部位设计圆柱体，用于应变片的布置；
步骤二、在圆柱体上布置应变片，在靠近缓冲弹簧的圆柱体前侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴两个电阻应变片；在靠近缓冲弹簧的圆柱体后侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴两个电阻应变片；在靠近方体的圆柱体前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体前侧、沿垂直轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体后侧、沿垂直轴线方向粘贴一个应变片；
步骤三、按照一定的顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变，利用加载设备和载荷传感器分别进行旋挖钻机钻杆所受扭矩和压力标定试验，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系。
进一步地，步骤三中利用应变记录仪记录下不同时刻的应变，利用压力传感器的读数和力臂的乘积获知实时扭矩值，利用压力传感器获知实时压力值。
本发明的有益效果是：本发明选用旋挖钻机钻杆为研究对象，通过设计钻杆圆柱体结构、设计贴片位置和惠斯通电桥采用特定的桥臂接法，利用加载设备和压力传感器分别进行钻杆所受扭矩和压力标定试验，记录下不同时刻的载荷和应变，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系，进而可以实现扭矩和载荷的准确测试。本发明为准确测试旋挖钻机钻杆载荷：扭矩和压力，提供了一套通用、易操作的测试方法。
附图说明
图1是旋挖钻机钻杆整体结构图；
图2是本发明改造后钻杆方头结构图；
图3是本发明电阻应变片安装参考位置图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明标定试验标定载荷和测试载荷位置图；
图中，1、钻杆体，2、外键，3、缓冲弹簧，4、方头，5、钻杆销轴，6、圆柱体。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法，包括以下步骤：如图1和图2所示，旋挖钻机钻杆是由钻杆体1、内键、外键2、挡头、方头4、缓冲弹簧3、钻杆销轴5等组成，其中方头4位于里节杆下端，用于传递扭矩及加压力。为实现载荷的测试需要对钻杆进行结构设计：如图2所示，在缓冲弹簧3的下端、方头4的上端设计圆柱体6，圆柱体6的长度要满足应变片布置所需的长度，同时结构尺寸要便于布片并提高其对载荷响应的敏感性。
如图3和图4所示，在靠近缓冲弹簧3的圆柱体6前侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片11和电阻应变片12。在靠近方体4的圆柱体6前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片21。在靠近方体4的圆柱体6前侧、沿垂直轴线方向粘贴应变片22。在靠近缓冲弹簧3的圆柱体6后侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片13和电阻应变片14。在靠近方体4的圆柱体5后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片23。在靠近方体4的圆柱体5后侧、沿垂直轴线方向粘贴应变片24。电阻应变片11与电阻应变片14、电阻应变片12与电阻应变片13、电阻应变片21与电阻应变片23、电阻应变片22与电阻应变片24为前后对称布片。
试验时将电阻应变片11、电阻应变片12、电阻应变片13、电阻应变片14；电阻应变片21、电阻应变片22、电阻应变片23和电阻应变片24分别按1、2、3、4顺序接入惠斯通电桥四个桥臂，那么两个组合应变s1、s2的输出值为：
s1＝ε11-ε12+ε13-ε14(1)
s2＝ε21-ε22+ε23-ε24(2)
当钻杆只受到扭矩时，根据梁的变形和贴片的特点，可以得出：
s1＝4ε11s2＝2ε22(3)
当钻杆只受到压力时，根据梁的变形和贴片的贴点，可以得出：
s1＝0s2＝2(1+μ)ε21(4)
其中，μ是构件的泊松比。
由公式(1)、(2)、(3)、(4)，可知当钻杆受扭矩t和压力f共同作用时，可以得出：
s1＝k1t(5)
s2＝k2t+k3f(6)
其中，k1、k2、k3为常数，也就是通过扭矩和压力分别对钻杆进行单向加载时，得到的标定系数。
由公式(5)、(6)可以得出：
进而可以得到：
t＝a1s1(9)
f＝a2s1+a3s2(10)
其中，a1、a2、a3为最终的计算系数。
由公式(7)、(8)、(9)、(10)可得：
在载荷单向标定试验中，测试压力与标定压力大小相同，但位置不同；测试扭矩的实施需要扭矩标定力和力臂来实现，其中扭矩标定力的方向要与钻杆轴线垂直，如图5所示。设扭矩标定力为f1(力的方向垂直钻杆轴线)，力臂长度为l1，测试扭矩为标定压力为f2，测试压力为那么：
只要在载荷单向标定试验时，记录s1、s2、f1、l1、f2，可得到标定系数k1、k2、k3，进而计算出系数a1、a2、a3。
试验时，利用加载设备和压力传感器对钻杆施加扭矩标定力载荷，载荷方向和位置如图5所示，记录下不同时刻的标定力载荷和载荷距离钻杆轴线的距离，同时用应变仪记录下不同时刻的应变，将采集的数据输入计算机，直至标定力载荷和载荷距离钻杆轴线的距离乘积达到最大扭矩后卸载。通过应变和载荷数据，得到标定系数k1，k2(单位为με/knm)；利用加载设备和压力传感器对钻杆施加压力标定载荷，载荷方向(要与钻杆轴线垂直)和位置如图5所示，记录下不同时刻的载荷，用应变仪记录下不同时刻的应变，将采集的数据输入计算机，直至达到最大载荷后卸载。通过应变和载荷数据，得到标定系数k3(单位为με/kn)；利用公式(11)计算出载荷应变最终计算系数a1(单位为knm/με)、a2、a3(单位为kn/με)；在试验时记录应变值s1、s2得试验数据，得到钻杆所受扭矩和压力数据。
技术特征：
1.一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设计旋挖钻机钻杆的结构，在缓冲弹簧的下端、方头部位的上端部位设计圆柱体，用于应变片的布置；
步骤二、在圆柱体上布置应变片，在靠近缓冲弹簧的圆柱体前侧、沿与轴线呈+450方向分别粘贴两个电阻应变片；在靠近缓冲弹簧的圆柱体后侧、沿与轴线呈+450方向分别粘贴两个电阻应变片；在靠近方体的圆柱体前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体前侧、沿垂直轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片；在靠近方体的圆柱体后侧、沿垂直轴线方向粘贴一个应变片；
步骤三、按照一定的顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变，利用加载设备和载荷传感器分别进行旋挖钻机钻杆所受扭矩和压力标定试验，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系。
2.根据权利要求1所述的旋挖钻机钻杆载荷测试方法，其特征在于，步骤三中利用应变记录仪记录下不同时刻的应变，利用压力传感器的读数和力臂的乘积获知实时扭矩值，利用压力传感器获知实时压力值。
技术总结
本发明属于旋挖钻机钻杆技术领域，具体涉及一种旋挖钻机钻杆载荷测试方法，改造旋挖钻机钻杆结构并在改造区域粘贴电阻应变片，按照一定的顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变；利用加载设备和载荷传感器分别对钻杆施加扭矩和压力，进行单向载荷标定试验。本发明为测试旋挖钻机钻杆载荷谱提供了一套易操作的测试方法。
技术研发人员：张继光;王海金;孙余;魏亚坤
受保护的技术使用者：徐州
徐工基础工程机械有限公司
技术研发日：2021.05.14
技术公布日：2021.08.06
声明：
“旋挖钻机钻杆载荷测试方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：徐州徐工基础工程机械有限公司
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2024年12月20日 ~ 22日 
